二维材料生长新方法登上Nature!!!

钢铁侠 12小时前 57浏览

过渡金属二硫化物（TMDs）通过化学气相沉积（CVD）在晶体基底上外延生长。然而，这一方法需要将生长后的材料转移到目标基底上，导致厚度控制和可扩展性较难实现。首尔大学Gwan-Hyoung Lee团队提出了一种名为“hypotaxy”（“hypo”意为向下，“taxy”意为排列）的创新方法，旨在解决传统外延生长二维过渡金属硫族化合物（TMDs）在衬底选择、厚度控制及晶圆级单晶合成上的局限性。相较于现有技术（如蓝宝石上外延或金衬底模板法），hypotaxy通过非外延衬底上的模板导向生长，解决了传统方法对单晶衬底的依赖及转移工艺的复杂性，同时结合了低温、高均匀性和可扩展性优势，为TMDs在集成电路和异质结器件中的实际应用提供了新路径。该项研究成果以“Hypotaxy of wafer-scale single-crystal transition metal dichalcogenides”为题发表于Nature。

1.突破传统外延的衬底限制
传统方法依赖化学气相沉积（CVD）在单晶衬底（如蓝宝石或金）上外延生长TMDs，需后续转移至目标衬底，导致界面污染和厚度不均。而hypotaxy通过石墨烯作为模板，直接在非晶或晶格失配衬底（如SiO₂/Si）上生长单晶TMDs，无需转移步骤，显著扩展了衬底兼容性，支持单晶薄膜的晶圆级集成。

2.石墨烯模板引导的晶体对齐机制
在石墨烯下方预沉积金属薄膜并通过硫化/硒化处理，形成取向一致的TMD晶核。石墨烯的移除后，晶核合并为单晶薄膜。这一过程利用石墨烯的范德瓦尔斯相互作用和晶格导向作用，实现了跨衬底的晶体一致性，克服了传统外延对衬底晶格匹配的依赖。

3.精确的厚度控制与材料性能优化
该方法可调控MoS₂从单层到数百层的厚度，且生成的4英寸单晶MoS₂表现出高热导率（约120 W·m⁻¹·K⁻¹）和高迁移率（约87 cm²·V⁻¹·s⁻¹），优于多数传统CVD生长的TMDs，接近分子束外延（MBE）的高质量薄膜水平。

4.低温工艺兼容后端集成
通过氧等离子体在石墨烯上制造纳米孔，使MoS₂的生长温度降至400°C，与半导体后端工艺（BEOL）兼容，为三维单片集成提供了可能。

5.普适性与可扩展性
该方法成功拓展至MoSe₂、WS₂、WSe₂等其他TMD材料，展现了在多样化电子器件中的应用潜力，例如高密度忆阻器阵列或神经形态计算器件。